硅和氧化锌纳米线的制备及光致发光特性

论文摘要

一维硅纳米线（SiNWs）和氧化锌（ZnO）纳米线的制备和特性研究是当今纳米科技最重要的研究热点。如果能将二者结合制备出纳/微米尺度的Si/ZnO异质结,将会对“自下而上”的纳电子器件制造工业的发展提供实验和理论研究基础。本论文采用化学气相沉积法（CVD）,在不同的条件下分别制备了一维SiNWs、ZnO纳米线及纳/微米尺度的Si/ZnO异质结。通过透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、扫描电子电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、光致发光（PL）光谱等仪器和分析手段,对样品的形貌、生长结构和光致发光等特性进行了研究,取得了一些有应用价值的研究结果。1.采用CVD法,在沉积温度为350、380、400℃下制备了一维SiNWs。理论和实验结果分析表明,其生长机理符合气-液-固（VLS）生长模型。通过改变实验参数,可得到直径可控的单晶SiNWs。结果表明,随着沉积温度的变化,因气态Si原子的沉积速率和SiNWs的生长速率的关系发生变化,导致制备出的SiNWs的形貌、结构产生了差异。实验发现380℃的条件下,Si原子沉积速率与SiNWs生长速率一致,使SiNWs取向性较好且单晶生长趋势明显。PL谱图表明,SiNWs在596nm处出现了明显的红光发光峰,且发光中心产生了7 nm左右的蓝移。2.采用CVD法,以摩尔比为1:1的ZnO和活性碳（C）的混合粉体为反应原料,在650、750、900℃的温度生长区域,制备出了三种不同形貌的ZnO纳米线阵列。我们发现,ZnO纳米线阵列的形貌和生长结构将随着沉积温度的变化产生明显的差异。这是因温度的升高会引起Zn和O原子过快的沉积,从而使ZnO纳米线生长速率大大增加,导致ZnO纳米线阵列的形貌和生长结构产生剧烈变化。分析研究表明,750℃的条件下制备的ZnO纳米线阵列结构均匀,有较好的取向性。900℃的条件下,因Zn和O原子沉积速率大于ZnO纳米线的生长速率,Zn和O原子过快的沉积速率就造成了ZnO纳米线弯曲并产生结构缺陷,此条件下,生长的ZnO纳米线就没有特定的生长方向,整个阵列中的纳米线就呈现相互缠绕,杂乱无章的特点。PL谱图分析表明,ZnO纳米线阵列在379.6nm和488.8nm处分别产生了紫外（UV）发光峰和绿光峰,紫外光发射属于近带边激子跃迁,绿光峰主要是ZnO结构中的缺陷能级引起的。3.采用CVD法,在一维SiNWs上外延生长了ZnO纳米线,生长制备了纳/微米尺度的Si/ZnO异质结。扫描电子电镜（SEM）分析研究表明,Si/ZnO纳/微米异质结构主要是纳米ZnO包覆在SiNWs表面上,二者形成了核壳结构的纳/微米异质结。利用分子动力学和VLS生长机理对Si/ZnO纳/微米异质结核壳结构的形成机制进行了解释说明。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 硅纳米线的发展方向、制备工艺和应用研究
• 1.2.1 纳米硅材料在微电子材料中的地位和发展方向
• 1.2.2 硅纳米线的制备工艺和生长机理综述
• 1.2.3 硅纳米线的应用
• 1.3 ZnO 材料的发展方向、制备工艺和应用研究
• 1.3.1 ZnO 材料的发展方向
• 1.3.2 一维ZnO 纳米线的制备
• 1.3.3 一维ZnO 纳米线的应用
• 1.4 本课题研究的意义及内容
• 第二章 测试表证方法基本原理简介
• 2.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4 光致发光（PL）
• 第三章 硅纳米线的制备及光致发光特性
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置
• 3.3 实验过程
• 3.4 样品表征
• 3.5 结果分析和讨论
• 3.5.1 生长机理
• 3.5.2 生长结构
• 3.5.3 X 射线衍射谱
• 3.5.4 光致发光谱
• 3.6 本章小结
• 第四章 氧化锌纳米线的制备及光致发光特性
• 4.1 引言
• 4.2 实验装置
• 4.3 实验过程
• 4.4 样品表征
• 4.5 结果分析和讨论
• 4.5.1 生长结构
• 4.5.2 X 射线衍射谱
• 4.5.3 光致发光
• 4.6 本章小结
• 第五章 纳/微米尺度的 Si/ZnO 异质结的制备及生长机制研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.3 生长结构分析与讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 论文总结
• 参考文献
• 致谢